縮小預浸單向帶彌合ATL- AFP的差距
特寫五輪回旋ATL頭。每條車道都是單獨控制和驅動的，并允許編程的圈數和間隙。
眾所周知，自動鋪絲（ATL）和自動鋪帶（AFP）是將碳纖維復合材料應用于波音787和空客A350飛機主要航空結構的關鍵技術。在這些飛機開發之前，30多年來，復合材料在商用飛機中的應用量一直在逐漸增加， 但主要是在使用手工疊層和一些自動化制造工藝的次要結構中。
然而，隨著787和A350的推出，波音公司（美國華盛頓州西雅圖）和空中客車公司（法國圖盧茲）對輕型飛機的需求做出了回應，這加速了復合材料和工藝的采用，用于機身蒙皮、長桁、框、機翼蒙皮、翼梁、翼盒和尾部結構。ATL和AFP引領潮流，使每個OEM及其供應商能夠有效地鋪設大量預浸UD預浸帶和絲束。
ATL找到了一個制造機翼結構的地方，機翼結構的 輪廓適中，利用了膠帶產品的寬格式（3、6或12英寸）， 可以快速鋪設。然而，ATL 在速度和體積上所提供的， 卻犧牲了一致性。
另一方面，AFP鋪設了0.125至0.5英寸寬的多條絲束，找到了一個制造機身和其他更具輪廓的結構的地方，這些結構需要最大的靈活性和一致性。然而，ATL提供的適形性犧牲了速度和體積。
此外，盡管這些技術是可行的，但它們清楚地反映 了近20年前飛機最初開發時ATL/AFP的藝術狀態。事實上，787和A350的生產速度（鑒于冠狀病毒大流行，現在每個月都不到10架）與相對緩慢的上一代 ATL/AFP 技術非常一致。這些技術還依賴于人工操作員提供過程中的目視檢查和質量控制，檢查搭接、間隙、 褶皺、異物碎片（FOD-foreign object debris）和其他自動化鋪 設過程中常見的缺陷。這一質量控制步驟代表了復合材料結構制造中的一個重要瓶頸。
但隨著商用飛機制造商展望未來（遠遠超過冠狀病毒大流行）和他們將開發的飛機，特別是取代波音737和空客A320的新單通道（NSA-new single-aisle）項目，機組 數量可能會達到每月60-100架。這就要求復合材料和加工能力比那些用于制造787和A350結構的材料和加工效率高出一個數量級。
五輪回旋ATL頭 Fives Lund SLALOM解決方案在一定程度上依賴于單獨驅動和壓縮的磁帶通道。這使得工藝控制得到了顯著改進，包括根據零件的允許值對搭接和間隙進行編程的能力。
兩全其美
Fives Lund LLC首席執行官兼 Fives Composites（美國華盛頓州西雅圖）首席技術官Erik Lund 在過去幾年 里一直在思考這一切，Fives Composite是 Fives Group（法國巴黎）的子公司，該公司還擁有 Fives Cincinnati、Fives Forest Liné 和 Fives LinéMachines，為復合材料行 業提供 ATL 和/或AFP機械。Lund 一直在考慮提高預 浸帶/絲束鋪設效率的方法，與整個Fives Composites 團 隊合作，研究和評估 ATL 和 AFP 的優缺點。
了解ATL和AFP的優勢（和劣勢）首先需要了解 這些流程運行的設計允許環境。Lund指出，無論制造商 是在鋪設預浸帶還是絲束，都必須跟蹤和測量過程中產 生的誤差。例如，當兩條預浸帶或絲束并排放置時，理 想情況下，它們的邊緣應該鄰接，以提供不間斷、均勻 的簾布層表面。然而，機械和材料的缺陷可能會產生重疊和間隙。重疊是重疊的縮寫，當兩個相鄰的膠帶或絲 束在鋪設過程中相互重疊時就會發生。相反，當兩個相 鄰的磁帶或絲束相互“漂移”時，可能會產生間隙。搭接 或間隙本身不一定有問題，因此必須測量每個搭接或間隙的寬度，并且任何超過零件規定允許值的搭接或間隙都必須恢復一致性，通常通過手動返工。
如前所述，ATL的優勢在于該工藝可以在大面積上快速 放置大量材料。只要該區域平整或輪廓適中，膠帶就不 會起皺或彎曲。此外，由于膠帶相對較寬，對接膠帶的總數相對較小，因此與AFP相比，形成搭接和間隙的機會較小。這樣一來，ATL allowables環境就更寬容了。
相反，AFP，因為它放置了多個較小的絲束，可以更容 易地操縱這些絲束，并使材料適應復雜和輪廓表面。然 而，圈數和間隙的機會更大——考慮到僅24牽引AFP頭理論上就有23次圈數和間隔的機會——因此必須更 密切地監測，通常是手動監測。Lund 指出，許多 AFP允許在鋪設材料的給定線性距離（通常為12英寸）上 限制搭接或間隙違規。此外，他說，在一個給定的區域 內，從一層到另一層積累的圈數和間隙也可能違反允許的限制。
AFP的另一個缺點是，放置頭中的復雜機械包裝只 為這么多硬件留出了空間。因此，所有絲束都通過一個 壓實壓路機壓實到工具表面上。對于較寬的AFP頭（24- 32 絲束），壓路機可能難以為每個絲束提供均勻一致的 壓實壓力，這可能會影響最終的層壓板質量。Lund認為，出于類似的原因，ATL 中的壓實一致性也可能是一個挑戰，并指出“操作員的返工，尤其是6英寸膠預浸帶的返工，可能會影響整體層壓板質量。 ”
另一方面，AFP中的多股絲束也提供了該工藝有時 被忽視的好處：當將材料放置在非0度或非90度的簾布層邊界角時，AFP頭能夠在邊界處獨立切割每股絲束， 從而形成細齒簾布層邊界。Lund說，這種邊界鋸齒有助 于優化材料使用，而ATL不可能做到這一點，因為 ATL必須依靠“復雜的切割”來構建工程化的簾布層邊界。
解決方案：窄磁帶
Lund說，他和Fives Lund和波音公司的其他人考 慮到了纖維和預浸帶放置的復雜世界，并想知道是否有 一個中間地帶可以利用。他們尋求機會利用和整合ATL和AFP的優勢，并專注于目前正在發揮作用的材料和工藝組合，這對下一代高速率飛機生產顯示出巨大的前景。
Lund說：“我們試圖實現AFP的一致性。我們也試 圖從邊界處的細鋸齒中獲益。 ” “同時，我們想要ATL的間隙公差和允許值。問是， ‘我們能使用的最窄的預 浸帶是什么，仍然使用預浸帶允許值？’”考慮到最窄的預浸帶是3英寸，最寬的絲束是0.5英寸，選擇有很多。 然而Lund說，從允許和圈/間隙公差的角度來看，有 一點預浸帶會變成牽引帶，他不想超過這個點。Lund回憶道：“我們花了大約30分鐘才確定1.5英寸的預浸帶寬度。 ” “我們感謝自己做出了這個決定。如果有更窄的范圍，我們所開發的東西在機械上是不可能的。 ”
當然，Lund開發的系統不僅僅是一個放置1.5英寸預浸帶的鋪放頭。作為AFP和ATL的混合體，它具有兩者共同的功能。首先，每個1.5英寸預浸帶通道都單 獨控制膠帶供應，并有自己的壓實壓路機，獨立于其他通道啟動。這使得壓實壓力可以單獨編程并由預浸帶通 道控制。其次，與AFP一樣，每條預浸都是在簾布層邊界處單獨添加和切割的，這就允許Lund 夢寐以求的細齒。
第三，也許也是最重要的一點，該系統采用了在線傳感技術。該系統與每個獨立定位和伺服可調的磁帶通道協同工作，Lund說，這可以很容易地控制磁帶之間的間距。簡而言之，該系統允許可編程的搭接和間隙。Lund稱之為“撥號間隙” ，并表示這為運營商提供 了編程重疊或打開間隙的選擇，以滿足不同的間隙平均值，并將每條車道更改為特定的間隙寬度。此外，該系統可以看到圖案，測量標準偏差，然后調整到整體平均值，甚至調整到層壓板的特定區域。
Lund說：“它對每次傳球的車道進行了統計，并根據數據的積累得出結論。 ” “如果能夠正確管理和控制間隙，你就可以在某些區域薄化層壓板。 ”Lund說，最終，這種嚴格的過程控制與機器學習相結合， “代表了檢查的發展，以開發你可以信任的數據。這提高了能力和 期望，并最大限度地減少了變化。 ” Lund說，這臺1.5英寸的預浸帶機——現在商業化為Fives Lund SLALOM——是與波音公司合作開發的， 波音公司擁有一些關鍵知識產權，包括獨立的壓路機系統。Fives Lund還與波音公司密切合作，以獲得1.5英寸預浸帶系統的資格。
三菱重工（MHI，日本東京）為 波音787制造機翼蒙皮，已經使用了三臺19車道回轉機六年。Lund說，三臺第一代MHI機器以每秒0.6米的速度添加、鋪設和切割預浸帶。然而，Fives Lund正在測試的當前技術已經實現了航空航天預浸帶鋪設公差和可靠性，增加速度為每秒2.5米，鋪設/切割速度為 每秒4.5米，無需加熱即可實現一致壓實。Lund說：“無論應用程序如何，這種規模的自動化都不會發展得那么快。 ” “我們低估了復合材料的極限速度，不得不重新設計其他制造系統，以獲得我們想要的更高速度和加速度。 ”
未來會怎樣
Lund表示，展望每月建造60-100架飛機的潛在單 通道更換計劃，1.5 英寸的膠帶非常適合制造長桁、翼梁、機翼蒙皮以及水平和垂直安定面。它們也可用于構建隨后成形和壓制的扁平層壓板，從而考慮到定制的壓實和剪切因素。Lund還承認，1.5英寸預浸帶面臨的最大障礙是“缺乏制度化。在使用1.5英寸預浸帶的情況下，幾乎沒有歷史，也很少有運營渠道。 ”
這就是說，他相信窄磁帶回答了商業航空航天工業 提出的技術和速度問題。Lund正在特別考慮他的1.5英寸的預浸磁帶，而不是競爭的過程，如液體樹脂輸注， 使用干纖維?？罩锌蛙嚬就ㄟ^其“明日之翼”計劃，正在評估干纖維灌注來制造機翼結構，以取代其單通道飛機。
空中客車公司通過其“明日之翼”項目，正在評估干纖維注入，以制造單通道替換機翼結構。Lund認為，在制造碳纖維復合材料機翼的單通道生產環境中，關鍵的 工藝參數將是工具的啟動時間：“問題是， ‘你需要多少工具才能達到速度？’工具必須通過吞吐量和利用率來 衡量，而干纖維工藝不會很快釋放出這種工具。Lund認為，有了一個管理良好的 1.5 英寸預浸帶系統， “你最長 應該在2-3天內從冰箱到固化。如果你能做到這一點， 那么預浸時間只是制造‘噪音’的一部分。 ”
盡管新冠病毒大流行給新型商用飛機的規劃和開發帶來了困難，但Lund認為，商業航空旅行的長期前景總體上是積極的，為這一關鍵的終端市場開發下一代材料和工藝應該并將繼續快速發展。 “商業航空航天需求推動了ATL和AFP 的市場，但隨著它們的復蘇，我們正在尋找其他歷史較少的行業來使用這項新技術。 ”
編譯者補充說明： “空中客車公司通過其“明日之翼”項目，正在評估干纖維注入，以制造單通道替換機翼結構。 ”這里的干纖維是“無卷曲織物（NCF）” 。
